Дослідження характеристик біполярного транзистора

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

Дослідити вхідні і вихідні характеристики біполярного транзистора. Побудувати передатні характеристики транзистора.

Обладнання:

Робоча станція NI ELVIS II, блок живлення станції; USB-кабель, ПК, плата «Аналогові елементи інформаційно-вимірювальної техніки».

Теоретична частина

Рис. 1. Загальний вигляд обладнання

Транзистор – це напівпровідниковий елемент електронної техніки, який дає змогу керувати струмом, що протікає крізь нього, за допомогою прикладеної до додаткового електрода напруги.
Транзистори є основними елементами сучасної електроніки. Зазвичай вони застосовуються в підсилювачах і логічних електронних схемах.
У мікросхемах у єдиний функціональний блок об’єднані тисячі й мільйони окремих транзисторів.
За будовою та принципом дії транзистори поділяють на два великі класи – біполярні та польові. До кожного з цих класів входять численні типи транзисторів, що відрізняються за будовою і характеристиками.
У біполярному транзисторі носії заряду рухаються від емітера через тонку базу до колектора. База відділена від емітера й колектора p-n переходами. Струм протікає через транзистор лише тоді, коли носії заряду інжектуються з емітера в базу через p-n перехід. У базі вони є неосновними носіями заряду й легко проникають через інший p-n перехід між базою і колектором, прискорюючись при цьому. У самій базі носії заряду рухаються за рахунок дифузійного механізму, тож база повинна бути досить тонкою. Управління струмом між емітером і колектором здійснюється зміною напруги між базою та емітером, від якої залежать умови інжекції носіїв заряду в базу.
У польовому транзисторі струм протікає від витоку до стоку через канал під затвором. Канал існує в легованому напівпровіднику в проміжку між затвором і нелегованою підкладкою, в якій немає носіїв заряду, й вона не може проводити струм. Безпосередньо під затвором існує зона збіднення, в якій теж немає носіїв заряду завдяки утворенню між легованим напівпровідником і металевим затвором контакту Шотткі. Отже, ширина каналу обмежена простором між підкладкою та зоною збіднення. Прикладена до затвору напруга збільшує чи зменшує ширину зони збіднення, а тим самим ширину каналу, контролюючи струм.
Окрім поділу на біполярні та польові транзистори, існує багато різних типів, специфічних за своєю будовою.
Біполярні транзистори розрізняють за полярністю: вони бувають p-n-p та n-p-n типу. Середня літера в цих позначеннях відповідає типу провідності матеріалу бази.
Польові транзистори розрізняють за типом провідності в каналі: вони поділяються на p-канальні (основний тип провідності дірковий) та n-канальні (основний тип провідності електронний).
Транзистор має два основні застосування: як підсилювач і як перемикач.
Підсилювальні властивості транзистора пов’язані з його здатністю контролювати великий струм між двома електродами за допомогою малого струму між двома іншими електродами. Малі зміни величини сигналу в одному електричному колі можуть відтворюватися з більшою амплітудою в іншому колі.
Використання транзистора як перемикача пов’язане з тим, що, приклавши відповідну напругу до одного з його виводів, можна зменшити практично до нуля струм між двома іншими виводами, що називають запиранням транзистора. Цю властивість використовують для побудови логічних вентилів.
У зазначеній роботі пропонується дослідити властивості біполярного транзистора. Позначення та будова біполярних транзисторів показана на рисунку 2.

Рис. 2. Будова та позначення біполярних транзисторів:
а) n-p-n транзистор; б) p-n-p транзистор

На рисунку 3 показана схема, яка дає можливість дослідити властивості транзистора та буде застосовуватися в цій роботі.


Рис. 3. Схема для дослідження транзистора

Ця схема є схемою підсилення з загальним емітером. Iбе – струм бази, Іке – струм колектора, Іе – струм емітера. Струм колектора зазвичай значно більший за струм бази і залежить від нього. Тобто струм бази керує струмом колектора.
Струм емітера складається зі струму колектора і струму бази:

(1)

Найважливішою характеристикою транзистора у цій схемі є коефіцієнт підсилення за струмом, який визначається за формулою:

(2)

Коефіцієнт підсилення за змінним струмом за нульового опору навантаження являє собою коефіцієнт передачі струму h21, що є одним з основних довідникових параметрів транзистора поряд із номінальною напругою та струмом. За цими параметрами здійснюють вибір транзистора під час проектування різноманітних електронних схем.
Вхідна характеристика біполярного транзистора – це залежність струму бази від напруги між базою та емітером за певної сталої напруги між колектором та емітером.
Приклад сімейства вхідних характеристик транзистора представлено на рис. 4.
Вхідні характеристики транзистора – це вольт-амперні характеристики p-n переходу. З рисунку 4 видно, що при зростанні напруги між колектором та емітером струм бази за однієї і тої самої напруги між базою та емітером знижується. Це явище пов’язане з ефектом модуляції товщини бази. При збільшенні напруги між колектором і емітером ефективна товщина бази зменшується. При меншій ефективній товщині бази зменшується кількість актів рекомбінації неосновних носіїв, отже, зменшується базовий струм.
Вихідною характеристикою біполярного транзистора називається залежність струму колектора від напруги між колектором та емітером за постійного струму бази. Приклад сімейства вихідних характеристик транзистора зображено на рис. 5.


Рис. 4. Приклад сімейства вхідних характеристик біполярного транзистора


Рис. 5. Приклад сімейства вихідних характеристик транзистора

З рисунку 5 видно, що зі збільшенням струму бази за інших незмінних умов струм колектора збільшується.
Передатною характеристикою транзистора називається залежність струму колектора від струму бази за певної сталої напруги між колектором та емітером. Приклад передатних характеристик біполярного транзистора зображено на рис. 6.


Рис. 6. Приклад передатних характеристик біполярного транзистора

У зазначеній лабораторній роботі пропонується отримати та дослідити вхідні й вихідні характеристики транзистора за допомогою навчальної лабораторії NI ELVIS II та за отриманими даними побудувати сімейство передатних характеристик.
У цій лабораторній роботі використовується плата «Аналогові елементи інформаційно-вимірювальної техніки», яка містить модуль для дослідження біполярного транзистора (рис. 7).

Рис. 7. Модуль для дослідження біполярного транзистора

Ця лабораторна робота може бути виконана дистанційно. Робоча станція стаціонарно підключена до ПК в лабораторії «МАНЛаб». На сайті міститься календар лабораторних робіт з використанням NI ELVIS II. Віддалений доступ до ПК, до якого підключена станція, здійснюється за допомогою програми «TeamViewer». Для отримання віддаленого доступу для виконання лабораторних робіт необхідно оформити заявку та отримати ключ доступу до ПК.

Хід роботи

  1. Відкрийте файл Lab7(M5) (рис. 8).

Рис. 8. Вікно лабораторної роботи, вкладка вхідних характеристик

  1. У відкритому вікні у правій частині вимірювальної схеми виставте напругу колекторного ланцюга Ек = 0 В.
  2. Натисніть кнопку «Измерение». На графіку з правого боку вікна має з’явитися вхідна характеристика транзистора при напрузі між колектором і емітером 0 В.
  3. Лівіше від вимірювальної схеми є віконце встановлення вхідної напруги зі стрічкою прокрутки. Встановіть стрічку прокрутки у найнижче положення, що відповідає Еб = -0,1 В; за допомогою прокрутки у віконці збільшуйте вхідну напругу з кроком 0,2 В та записуйте до таблиці 1 значення напруги на базі Uбэ та струму бази Іб. При цьому на графіку вхідної характеристики транзистора можна спостерігати точку, яка відповідає заданій вами вхідній напрузі.
  4. Виставте напругу колекторного ланцюга Ек = 1 В.
  5. Повторіть кроки 3 та 4.
  6. Повторіть вимірювання за Ек = 2, 3 та 5 В. Усі результати заносьте до таблиці 1.
  7. Відкрийте вкладку «Вихідні вольт-амперні характеристики» та, нічого не змінюючи, натисніть кнопку «Измерение». На графіку з правого боку вікна мають з’явитися вихідні характеристики транзистора (рис. 9).

Рис. 9. Вкладка вихідних характеристик вікна лабораторної роботи

9. Під вікном графіків за допомогою горизонтальної прокрутки встановіть напругу між колектором та емітером Uк = 0,5 В та за допомогою вертикальної прокрутки визначте струми колектору Ік для кожної з характеристик (рис. 10). Результати вимірювань заносьте до таблиці 2.

Рис. 10

10. За допомогою тих самих інструментів визначте струми колектору для кожного зі значень струму бази за напруг між колектором та емітером 1, 3, 5 і 7 В. Результати також заносьте до таблиці 2.

11. Натисніть «Завершение работы».

Аналіз даних

  1. За даними таблиці 1 на одному графіку побудуйте вхідні характеристики транзистора за різних напруг у колекторному ланцюгу Ек.
  2. Дійдіть висновків щодо поведінки отриманих вхідних характеристик. Чи збігається вона з теоретичними даними?
  3. За даними таблиці 2 на одному графіку побудуйте передатні характеристики транзистора за різних напруг між колектором та емітером Uк.
  4. Дійдіть висновків щодо поведінки отриманих вихідних характеристик. Чи збігається вона з теоретичними даними?
  5. Розрахуйте коефіцієнт підсилення за струмом для всіх експериментальних точок. Знайдіть його мінімальне і максимальне значення.
  6. Дійдіть висновків щодо того, як залежить коефіцієнт підсилення за струмом від інших параметрів.

Таблиці результатів

Таблиця 1

Ек = 0 В Ек = 1 В Ек = 2 В Ек = 3 В Ек = 5 В
Uбэ, В Іб, мкА Uбэ, В Іб, мкА Uбэ, В Іб, мкА Uбэ, В Іб, мкА Uбэ, В Іб, мкА

 

Таблиця 2

Uк = 0,5 В Іб, мкА
Ік, мА
β
Uк = 1 В Іб, мкА
Ік, мА
β
Uк = 3 В Іб, мкА
Ік, мА
β
Uк = 5 В Іб, мкА
Ік, мА
β
Uк = 7 В Іб, мкА
Ік, мА
β